Конструирование сварной балки, воспринимающей распределенную нагрузку

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

ПЕРМСКИЙ ХИМИЧЕСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ТЕХНИКУМ

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

ПМ 02.02. Расчет и проектирование сварных конструкций

МДК 02. Расчет и проектирование двутавровой балки

Тема : Конструирование сварной балки, воспринимающей распределенную нагрузку



Описание конструкции

Электрическая дуга впервые была открыта в 1802 г. профессором физики Санкт-Петербургской медико-хирургической академии В. В. Петровым. Описывая явления электрической дуги в книге под названием «Известия о гальвани-вольтовских опытах», профессор В.В. Петров указал на возможность использования электрической дуги для электроосвещения и плавления металлов. 

А в 1882 г. русский изобретатель Н. Н. Бенардос применил электрическую дугу для соединения металлов, в 1885 г. он получил патент под названием «Способ соединения и разъединения металлов непосредственным действием электрического тока», используя для этого дугу, горящую между угольным электродом и металлом и питаемую электрической энергией от аккумуляторной батареи. Русский инженер-металлург и изобретатель Н. Г. Славянов в 1888 г. разработал способ сварки металлическим электродом, в 1891 г. он получил два патента под названием «Способ и аппараты для электрической отливки металлов» и «Способ электрического уплотнения металлических отливок». Н. Н. Бенардос предложил различные способы сварки наклонными металлическими электродами и устройства, в которых подача электрода в зону дуги выполнялась за счет давления пружины. Он также разработал разнообразные виды автоматических устройств для сварки угольным и металлическим электродами, являющимися прообразами современных сварочных автоматов и полуавтоматов. Оригинальное приспособление для автоматического регулирования длины дуги с помощью соленоида, предложенное Н. Н. Бенардосом, в 1900 г. экспонировалось на Парижской всемирной выставке. Однако низкий уровень развития техники в России тех лет не позволял использовать и широко развивать столь гениальные идеи В. В. Петрова, Н. Н. Бенардоса и Н. Г. Славянова. 

В 20-х годах нашего столетия дуговую сварку начинают внедрять при ремонте локомобилей и котлов. Например, дуговая сварка в это время применялась в Московских, Ленинградских, Ярославских, Читинских и других железнодорожных мастерских при использовании импортного и собственного сварочного оборудования, однако собственное оборудование было кустарного изготовления, а присадочным материалом служили голые электроды с ионизирующим покрытием. В годы первых пятилеток разработка сварочного оборудования и передовой по тому времени технологии сварки способствовали успешному строительству гигантских строек: Днепрогэса, Магнитки, Уралмашзавода и других важнейших объектов страны. Развитие сварки позволило в годы Великой Отечественной войны быстро организовать производство самолетов, танков, орудий и других видов вооружения на заводах Урала и Сибири. В настоящее время сварочное производство является самостоятельной отраслью машиностроительной промышленности и для его дальнейшего развития требуется решение целого ряда вопросов, таких, как разработка новых сварочных машин, аппаратов и материалов. Выдающуюся роль в теоретической разработке сварочных процессов сыграли видные советские ученые К. В. Любавский, К. К. Хренов, Г. А. Николаев, Н. О. Окерблом, Н. Н. Рыкалин, Е. О. Патон, В. П. Никитин и др. Головной организацией в СССР по сварке является институт электросварки им. Е. О. Патона, который координирует деятельность всех институтов и промышленных предприятий нашей страны в области сварочного производства. 

В сварочном производстве эта задача решается в следующих основных направлениях:

-- комплексная автоматизация и механизация сварочного производства, включая заготовительные операции и операции неразрушающего контроля сварных соединений;

--совершенствование форм и рационализация сварных конструкций снижение металлоемкости за счет применения высокопрочных конструкционных сталей;

-- совершенствование и развитие процессов и видов сварки. Основными задачами развития дуговой сварки являются: уменьшение площади поперечного сечения разделки кромок и сварного шва путем сварки в узкую разделку, что позволяет повысить производительность труда, улучшить свойства 

-- сварных соединений, получить экономию сварочных материалов и электрической энергии;

-- разработка способов сварки, обеспечивающих более эффективное использование тепла дуги;

-- дальнейшее совершенствование- способов дуговой сварки в различных пространственных положениях;

-- расширение применения механизированной сварки вместоручной сварки штучными (покрытыми) электродами.

Виды конструкций по характерным особенностям работы. 

Третий признак классификации конструкций, полученных в ходе сварки, является наиболее распространенным, особенно когда речь идет о вопросах проектирования таких конструкций. 

Обычно, на основе характерных особенностей работы, выделяют такие типы сварных конструкций:

Балки - конструкционные детали, которые предназначены для работы на поперечный изгиб. С помощью жесткого соединения балок получают, так называемые, рамные конструкции. 

Колоны. Эти детали работают обычно на сжатие, в том числе с продольным изгибом. Конструкции решетчатообразные - состоят из стержней, которые соединяются в узлах так, чтобы они испытывали сжатие или растяжение. Такие конструкции бывают разных видов - это и мачты, и фермы, и арматурные сетки и т.д. 

Конструкции, эксплуатирующиеся под сильным давлением. При изготовлении таких конструкций очень важно выполнение требований по герметичности соединений. К таким конструкциям обычно относят трубопроводы всех назначений, различного вида сосуды и емкости. 

Корпусные транспортные конструкции. Эти конструкции подвергаются в основном динамическим нагрузкам. Они должны иметь высокие показатели жесткости и небольшой вес. К таким конструкциям относятся корпуса вагонов, кузовов автомобилей и пр. 

Еще один тип сварных конструкций - это разнообразные детали аппаратов, техники и машин. Такие конструкции используются при неоднократно повторяющихся, переменных нагрузках. Главное характерное требование к таким деталям - это точные размеры, которые достигаются в ходе работы над заготовками. К таким конструкциям можно отнести: 

валы 

станины 

колеса и пр.

Главное требование -- это соответствие эксплуатационному назначению. 

Конструкции должны быть прочными, жесткими и надежными, а также экономичными и минимально трудоемкими при изготовлении и монтаже. 

Каждая конструкция проходит три этапа: проектирование, изготовление и сборка или монтаж. 

Проектирование начинается с вариантов компоновки возможных схем конструкции и заканчивается методами изготовления, сборки или монтажа. 

Конструкция должна обладать устойчивостью, долговечностью, надежностью -- по показателям наработки; ремонтопригодностью и технологичностью изготовления. 

На этапе проектирования решают следующие вопросы: варианты изготовления, способы сварки, качество и точность заготовок и конструкции в целом, возможность применения механизации сварочных процессов, технологическая простота деталей, заготовок с возможностью применения более производительных процессов изготовления, например, резка на ножницах, пробивка, вырубка на прессах производительней газовой и плазменной резки. 

На этом этапе выполняется проработка чертежей всех деталей и заготовок, определяются требования к ним и к конструкции в целом. 

При проектировании также решается вопрос выбора материалов по марке и экономичности профилей, с учетом имеющихся типовых схем и конструктивных элементов. Конструктивно предусматривается минимальное воздействие от деформаций при сварке путем применения наименьшего количества сварных швов (в том числе в одном месте), максимальное использование сварки в нижнем положении при минимуме кантовок. 

Не допускается на одной несущей конструкции применять и сварку и клепку -- по противоположным концам, так как эти два способа по-разному распределяют воспринимаемую нагрузку, в особенности -- знакопеременную. 

При проектировании также решаются вопросы сборки, монтажа готовой конструкции. 

Понятие технологичности сварной конструкции -- это возможность изготовления всех деталей конструкции и ее с наименьшими трудовыми затратами удобными способами и с применением самого производительного оборудования, например штамповка деталей вместо кислородной вырезки, и т.п. 

Мелкие или самостоятельные сварные конструкции называются сварными узлами. Сварной узел -- это часть конструкции (необязательно сварной), представляющей собой соединение двух или нескольких деталей при помощи сварки. 

При проектировании, а также при изготовлении сварных конструкций необходимо помнить, что очень большие внутренние напряжения (иногда -- до частичного саморазрушения) возможны при сварке электрозаклепками, поэтому следует избегать таких соединений, применяя нахлесточную сварку либо в широких прорезях, либо в отверстиях не менее, например, диаметра 30 мм при толщине верхнего листа 8 мм.

1. Экономия материала (сварные конструкции в среднем легче клепаных на 20... 25%).

2. Плотность и непроницаемость соединений (клепаные резервуары, котлы и другие емкости, находящиеся под давлением, заменены сварными).

3. Возможность соединения деталей любых криволинейных профилей произвольной толщины.

4. Трудоемкость сварного соединения значительно меньше заклепочного (исключены разметка и сверление или продавливание отверстий),

5. Стоимость мелкосерийных сварных конструкций примерно в два раза ниже стоимости стального литья или поковок,

6. Бесшумность технологического процесса сварки и возможность ее автоматизации.

Требование технологичности - одно из основных, которое должно учитываться при проектировании конструкции, так как трудоемкость конструкции, сроки ее изготовления и ее экономичность в значительной мере определяются тем, насколько полно выполнены требования технологичности при выборе материала и конструктивных форм сварного изделия или сооружения. Учет технологичности при проектировании сварной конструкции означает, что выбранный материал сварной конструкции допускает сварку обычными приемами, не требуя каких-либо условий, осложняющих производство, а принятые конструктивные формы способствуют применению при изготовлении конструкции наиболее прогрессивных процессов автоматической сварки и других, высокопроизводительных ТП, что принятое конструктивное решение требует минимального количества элементов, что в каждом элементе используется минимальное число.

В зависимости от условий изготовления и монтажа, конструктивных особенностей узлов и элементов металлоконструкций, основных конструкционных материалов применяются следующие способы электродуговой сварки: ручная, механизированная и автоматическая

Описание конструкции

Балка -- линейный элемент несущих конструкций, опирающийся на оба конца (в отличие от консоли) и работающий преимущественно на изгиб. Изготавливаются различных сечений (тавровая, двутавровая, коробчатая балка, брус и другие).

Конструирование сварной балки, воспринимающей распределенную нагрузку: длина балки - 12 метров, нагрузка 24 Кн*м

Прочностные качества балки зависят от нескольких её характеристик: 

площадь и форма её поперечного сечения; 

длина балки; 

материал балки; 

способ её закрепления.

Условия работы конструкции

Преимущества применения сварной балки: 

сварная балка помогает снизить массу конструкций до 10% по сравнению с горячекатаными балками; 

балка сварная дает возможность применять в разные типы стали для стенок и полок; 

сварная балка позволяет создавать несимметричные сечения; 

отходы уменьшаются благодаря производству балок нужной длины. 

Сварка позволяет создавать рациональные профили, дающие неоспоримое преимущество -- уменьшать вес готовой балки. Использование сварки позволяет производить сварные балки разных размеров в сечении высотой до 150 см, а также любой длины. Сварка также позволяет сочетать размеры поясов и стенки сварной балки самым оптимальным способом. 

Конструкции, в чьем составе есть сварная балка, позволяют строить объекты с большей экономической эффективностью. Балка сварная значительно облегчает элементы металлоконструкций, обладающих высокой прочностью. Также, сварная балка используется для строительства опор здания, благодаря чему снижается масса всей конструкции. Цикл производства состоит из этапов:

правка листа; 

термическая резка; 

сборка балки; 

окончательная правка готового продукта; 

чистка; 

покраска.



Технологическая часть

При выполнении заготовительных операций нет необходимости использовать специальное оборудование, так как конструкция простая и технологичная. Сталь Ст3пс сваривается хорошо, относится к 1 группе свариваемости.

Таблица 1. Химический состав стали Сталь Ст3пс

Марка	С%	Si%	Mn%	S%	P%
Ст3пс	0.14-0.22	0,05 - 0,15	0,4 - 0,65	до 0.05	до 0.04

С - (углерод) повышает прочность, понижает закаливаемость, понижает пластичность и удельную вязкость не должен превышать 0.22%. Mn (марганец) - повышает прочность, мало влияет на пластичность, коррозионную стойкость и свариваемость не должен превышать 0,4-0,65%. Si (кремний) - увеличивает прочность, содержание не более 0,5-0,15% при большом содержании увеличивает хладноломкость, улучшает механические свойства и ухудшает пластичность. S (сера) - является вредной примесью, содержание серы выше 0,05% приводит к горячим трещинам. P (фосфор) - снижает ударную вязкость, его содержание в металле шва не должно быть 0,04%.

Для обеспечения технологичности использовать зажимы и фиксаторы, обеспечивать наиболее выгодный порядок сборки и правильный порядок наложении швов, использовать возможности автоматизации и механизации, простота конструкции балки позволяет достичь, хорошую технологичность.

Анализ технологичности конструкции

Разрабатывается комплекс специальных мероприятий по предотвращению образования холодных и горячих трещин, среди таких мер наиболее трудоемким являются предварительный и сопутствующий преднагрев. Эти меры снижают общий уровень технологичности изделия.

При производстве сварных конструкций существенное внимание уделяется экономии материалов получаемой продукции, энергоресурсов, времени производства, уменьшения трудоёмкости изготовления и других параметров. Показателем экономии материалов является: снижение веса конструкции, уменьшение отходов материалов, использование стандартных узлов, взаимозаменяемость деталей и т.д. Показателем экономии энергоресурсов являются параметры режимов сварки: напряжение дуги, сварочный ток. Показателями уменьшения трудоемкости являются: применение материалов, упрощающих геометрию швов, сокращение числа деталей в конструкции, типы сварных швов. Экономия времени достигается за счёт механизации и автоматизации процессов заготовки, сборки, сварки, за счёт правильной организации работы сварщика на рабочем месте, рациональной планировки рабочего места, использования высокопроизводительной технологической оснастки.

Выбор материала конструкции

При выборе материала конструкции необходимо учитывать целый ряд факторов: стоимость материала, возможность применения высокопроизводительных процессов обработки, однородность, неизменность механических свойств во всем возможном при эксплуатации диапазоне температур, долговечность. Однако наибольшее внимание при выборе материала должно уделяться обеспечению необходимой прочности и жесткости конструкции при наименьшей массе.

Для балки двутаврового сечения используется гнутый швеллер длиной 12 метров

Описание метода сварки

Для изготовления балки выбираем механизированный способ сварки в углекислом газе и применяем проволоку Св3пс. Так как данная проволока является универсальной и гарантирует высокие сварочно-технологические свойства, стабильность механических свойств шва и надежность сварных соединений. Контроль качества визуальный, так как визуальный способом осмотра выявляются несоответствия сварного шва требуемым геометрическим размерам. Геометрические размеры, которые необходимо выдержать в процессе сварки проверяют специальными инструментами или универсальных измерительных средств. А именно: при помощи водяного уровня, отвеса и металлической рулетки. 

Катет сварного шва, мм	Диаметр проволоки, d, мм	Сварочный ток, Iсв, А	Напряжение дуги, Uд, В	Скорость подачи проволоки, Vпод, м/ч	Скорость сварки, Vсв, м/ч	Расход газа, дм3/мм
6-8 мм	1,2-1,6 мм	200-300	25-30		11-16	10-20

Вторым оборудованием для сварки выбираем сварочный трактор, для сварки основной части балки

Катет сварного шва, мм	Ширина зазора, мм	Сварочный ток, Iсв, А	Напряжение дуги, Uд, В	Скорость подачи проволоки, Vпод, м/ч	Скорость сварки, Vсв, м/ч
6-8 мм	0-3,5 мм	650-700	34-36	28-35	опыт



Расчетная часть

1. Построим расчетную схему балки:

2. Заменим распределенную нагрузку на равномерную:

Q = q *L = 24 * 12 = 288 кН

Где: q - нагрузка;

L- длина.

3. Составим управление равновесия для определенной реакции опор:

Запишем уравнение моментов относительно точки A:

? Ма = Q Rb = ?

? Ма = Q * 6 ± Rb * 12 = 0

Rb = = = 144 кH

Уравнение моментов относительно точки B:

?Mb= Q Ra=?

? Мb = Q * 6 ± Rb * 12 = 0

4. Максимальный момент и максимальная нагрузка:

Движущие направление растяжении

[у] = где h = 1,2 ± 1,6 = = 160 Мпа

Mmax = = = 432 kH * м

Qmax = = = 144 кН * м

5. Рассчитаем требуемую высоту (h) балки с учетом заданной нормы жесткости и допустимых напряжений.

h = о [у]p?max

Где: E - модуль упругости (справочная величина стенки)

о - 0,208 - зависит от типа нагрузки и прочности

о - Зависит от типа нагрузки и прочности стали

h = = 80 cм

6.

у = =? * = 7 мм

7. параметры сечения балки 7.1 требуемый момемнт сопротивления сечения на U

Wпр = = = 270 см

Jто = = = 10800 см4

Расчитаем требуемый момент инерции сечения

Jст = = = 29265 см4

hст = 0,95 * h = 76 = hст

4. определим момент инерции поясов

Jh = Jтр - Jст = 108000 - 29265 = 78735 см4

7.5 полощадь полки равна

Ап = 2 * = 2 * = 45,600

7.6 ширина пояса принимают из усилий немение 180 мм

Bh = ( : )h = 26,6 см

Ап = Вп * уh = > уh = = = 1,52 см = 152 мм = 16 мм

8.

9. Проверка прочности балки сводится к оценке нормальных касательных малых и проведенных напряжений Проверка касательных напряжений производится отностительно нейтральной оси в сечении в котором К = кмах распределение норм сечений при изгибе

Проверка балки

Проведем 3 проверки по использованию материала

* 100? 30%

Где: Аn - площадь поперечного сечения пояса полки

* 100 = 46 ? 30%

По максимальному напряжению

Umax = * = * = 150Мпа < 160 Мпа

ґmax=?[ґср]

ґmax - касательные напряжения в описаном сечении балки на уровне нейтральной оси

Qmax - максимальной поперечные силы

уост - статический момент относительно нейтральной оси отсекаемой его части поперчного сечения

Jx - момент инерции всего сечения относительно нейтральной оси

По максимальным касательным напряженим

сварной балка двутавровый

Ґmax = = = 93,75 = 9,4 Мпа

Sx ост = * = = = 562,5см2

Расчет поясных швов

Катет должен быть не менее 4мм по менее толщины полки

Проверим прочность ґ = = = 54 Мп

Где B = это коэффициент для определения расчетной длины углового шва B = 1 для однопроходной автоматической сварки B = 0,8 для однопроходной полуавтоматической сварки B = 0,7 для всех остальных случаев

Рассчитаем ребро жесткости

bР > + 40 = + 40 = 6.5 см выс

ур = = 4 см толщина стенки

Катет ребра жескости назначаем минимальный

K = = 3 принимаем катет 4

Стыковые швы нужно взять из Гост-14771-76



Заключение

В данном курсовом проекте рассчитано и спроектировано сварная балка двутаврового профиля. Подобные балки используются в строительстве. Сварная балка двутаврового профиля, лежащая на двух опорах рассчитываются по методу допускаемых напряжений с учетом условий эксплуатации при заданной нагрузке. При проектировании данной конструкции учитывалось требование экономических показателей.



Литература

Блинов А.Н., Лялин К.В. Сварные конструкции.- М.: Стройиздат, 1990

ГОСТ 2.302 - 68, ГОСТ 8713 - 79, ГОСТ 14771 - 76, ГОСТ 19903 - 74

Николаев Г.А., Винокуров В.А. Сварные конструкции. Расчёт и проектирование. - М.: Высшая школа, 1990

Николаев Г.А., Куркин С.А., Винокуров В.А. Сварные конструкции. Технология изготовления. Автоматизация производства и проектирования сварных конструкций. - ч. II, М.: Высшая школа, 2014

Николаев Г.А., Куркин С.А., Винокуров В.А. Сварные конструкции. Прочность сварных соединений и деформаций конструкций. -ч. 1, М.: Высшая школа,1982

Стрижнёв В.Н. Методическое пособие по расчёту и конструированию двутавровой балки. - Н.Новгород, 2011

Шебеко Л.П. Экономика, организация и планирование сварочного производства. -М.:Машиностроение, 2014

Размещено на Allbest.ru

...